eLife：“不公平”的细胞分裂

　　

生物通报道：在基因完全相同的细菌群体中，一些成员的行为可能大相径庭。这一现象对于细菌的生存非常重要。细菌群体越多样化，就越有可能出现占据生存优势的个体，这些个体可以帮助种群克服艰难的环境条件（如抗生素）。

华盛顿大学的研究人员发现，在细菌细胞分裂成为两个子细胞时，细胞内容物的分配并不平均，结果使两个子细胞产生差异。

“这是细菌群体的一条多样化途径。虽然我们是在细菌中发现这一机制的，但它也可能适用于所有细胞，包括人类细胞，”文章的资深作者，华盛顿大学的Dr. Samuel Miller教授说。这项研究发表在eLife杂志上，第一作者是Bridget Kulasekara博士。

Miller及其同事曾于2010年在Science杂志上发表文章指出，当细菌分裂时，一种重要的调控分子（c-di-GMP）并没有平均分配给子细胞。c-di-GMP是一种第二信使，第二信使负责将细胞膜受体的信号，传递给细胞内的靶点。这一机制能够快速改变多种细胞功能，包括细胞代谢和迁移。

对于细菌来说，快速应答外部刺激非常重要。为了生存，细菌要能迅速冲向营养源，或者避开毒素。人们将微生物的这种定向运动称为趋化作用。

“第二信使几乎是立刻产生影响，”Miller说。“它们允许细菌在数秒内改变行为。”

研究人员使用FRET显微技术，检测了细胞间的c-di-GMP水平差异。这一技术允许他们监测，单个细菌中c-di-GMP浓度的微小改变。

不同的c-di-GMP浓度会对细胞行为产生深远影响。举例来说，在绿脓杆菌中（Pseudomonas aeruginosa），c-di-GMP水平高的细胞倾向于静止不动，在表面附着并形成克隆。而c-di-GMP水平低的细胞，倾向于活跃游动，借助细菌一端的螺旋桨结构。

Miller及其同事在这项新研究中，解析了造成两个子细胞c-di-GMP浓度差异的分子机制。研究显示，当绿脓杆菌分裂形成两个子细胞时，尽管子细胞的基因完全相同，但只有一个子细胞能够遗传到母细胞的螺旋桨结构。另一个子细胞需要自己合成螺旋桨结构。

研究人员发现，遗传到螺旋桨结构的子细胞，也同时获得了与该结构密切相关的酶，这种酶可降解c-di-GMP。此外，这个子细胞还遗传到了，母细胞中与细菌定向运动有关的装置。研究指出，子细胞遗传到的物质共同起作用，减少了c-di-GMP的浓度，并由此对细菌的活动施加影响。

“我们发现，细胞分裂时的不均匀分配，能帮助细胞实现多样化，从而提高种属的生存几率，” Miller说。

研究人员指出，这一发现有助于人们理解，为何细菌种群中总有一些细胞处于缓慢生长的休眠状态。由于抗生素主要靶标快速生长的细胞，这些休眠细胞更容易存活下来，发展出耐药性。此外，这一研究还能帮助人们理解，一些细菌为何能够附着在表面上形成克隆，例如导尿管、静脉输液管和心脏瓣膜中。

目前，研究团队正在寻找能快速改变第二信使浓度的信号。他们希望能够筛选化合物对这些信号进行干扰，并在此基础上解决细菌的耐药性，或者抑制细菌形成粘性克隆的能力。

 

生物通编辑：叶予

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c-di-GMP heterogeneity is generated by the chemotaxis machinery to regulate flagellar motility